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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Sonnenenergiekollektor,
der mit einer Gebäudewand
kombiniert ist und in der Lage ist, Wärme zu speichern.
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Allgemeiner Stand der Technik
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In
kalten Klimagegenden wie beispielsweise Kanada wird eine überwiegende
Menge an Energie, die in Wohnhäusern
verbraucht wird (65 %), für
die Raumheizung verwendet. Es sind Anstrengungen unternommen worden,
um einen Teil dieser Raumheizungsenergie aus der Sonnenstrahlung
zu gewinnen. Im Stand der Technik sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen
worden, Sonnenenergie zum Beheizen von Häusern zu nutzen. In der Regel
kann Wärme
aus der Sonnenstrahlung in verschiedenen Arten thermischer Sonnenkollektoren
und -systeme gewonnen werden, wie beispielsweise Vakuumröhrenkollektoren,
Flachplattenkollektoren, Trombewand oder Solarwand. Die größte Wärmeerzeugungseffizienz
haben Vakuumröhrenkollektoren
und Flachplattenkollektoren. Diese Kollektoren werden in der Regel
zur Warmwassererzeugung verwendet, da sie zur Verwendung als Raumheizer
zu teuer sind. Für
die Nutzung von Sonnenenergie zur Raumbeheizung in Häusern gibt
es bekanntlich zwei Grundtypen thermischer Solarsysteme: aktive
und passive.
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Aktive Systeme
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Ein
typisches aktives System arbeitet mit einem verglasten flachen Wärmekollektor.
Während
einer Heizperiode (Tag) wird Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt,
und die erzeugte Wärme
wird mit zirkulierter Flüssigkeit
in einen zentralen Wärmespeichertank
(zum Beispiel Wassertank) transferiert. Während einer Bedarfszeit (Nacht)
wird die akkumulierte Wärme
durch ein Heizsystem wieder verteilt, das die erwärmten Fluide zirkulieren
lässt.
Solche Lösungen
erfordern ein System, das aus den Sonnenkollektoren, einem Rohrleitungsnetz,
einem Wärmespeichertank,
einer Fluidzirkulationspumpe, Steuerventilen und Steuerungen im
Inneren eines Gebäudes
besteht. Die Systeme sind komplex und bedürfen einer kostspieligen Installation
des Rohrleitungsnetzes mit der Fluidzirkulationspumpe. Die Systeme
neigen bei Temperaturen unter null zum Einfrieren, sofern keine
teuren Flüssigkeiten
verwendet werden. In einigen aktiven Systemen kann Wärme mit
Gebläseumluftsystemen übertragen
werden (wie im
US-Patent Nr.
4,197,993 beschrieben), aber wegen der geringen Wärmeaufnahmefähigkeit
von Luft sind solche Systeme auf Belüftungszwecke beschränkt.
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Das
aktive System hat eine Reihe von Nachteilen:
- – Es ist
relativ komplex und ist mit einem kostspieligen Rohrleitungs-, Wärmespeicherungs-,
Wärmesteuerungs-
und Wärmeverteilungssystem
ausgestattet.
- – Es
braucht Pumpen und Energie, die zum Pumpen benötigt wird.
- – Es
gibt Betriebsprobleme mit Lecks und/oder Dichtungen (Wartung).
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Passive Systeme
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Passive
Systeme sind einfacher und billiger und werden darum immer beliebter.
Sie sind aber weniger effizient. In einem typischen passiven System
wird Sonnenenergie durch mit einem Wärmeenergiekollektor eingefangen,
der mit einer Wand kombiniert ist, und durch Wärmeleitung zur Hauswand zum
Speichern übertragen.
In solchen Systemen ist eine Sonnenstrahlungsabsorptionsschicht
oft mit einer verglasten Ummantelung und einer Wärmefalle kombiniert, um Wärmeverluste
zu senken und die Effizienz zu verbessern. Die einfachste und bekannteste
Lösung
dieses Systemtyps ist die Trombewand. Die Trombewand-Lösung besteht aus
einer transparenten Abdeckung und einer Absorptionsschicht, die
auf einem Wärme übertragenden
und akkumulierenden Material wie Beton, Ziegeln oder anderen Mauerwerkswänden aufgetragen
wird. Wärme,
die während
der Sonnenstrahlung erzeugt wird, wird in der Wand gespeichert und
durch die Wand hindurch in das Gebäudeinnere übertragen. Eine typische Trombewand
besteht aus einer 200 bis 400 mm dicken Mauerwerks- oder Betonwand,
die mit einem dunklen, Sonnenstrahlung absorbierenden Material beschichtet
ist und mit einer einzelnen oder doppelten Schicht aus Glas bedeckt
ist. Der Raum zwischen der Glasummantelung und dem Mauerwerk (Kollektor)
beträgt
20 bis 50 mm. Die Sonnenstrahlung passiert das transparente Glas und
wird durch die dunkle Oberfläche
des Absorbers absorbiert und langsam durch Wärmeleitung durch das Mauerwerk
hindurch nach innen übertragen.
Im Falle einer 200 mm dicken Trombewand dauert es etwa 8 bis 10
Stunden, bis die Wärme
so weit übertragen
ist, dass sie das Gebäudeinnere
erreicht. Darum absorbiert und speichert eine Trombewand Wärme zur
Nutzung am Abend oder in der Nacht.
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In
passiven Systemen wird die eingefangene Wärme zu der Wand zu Material übertragen,
das durch eine große
thermische Masse gekennzeichnet ist (Mauerwerk, Ziegel, Beton) und
wärmeleitfähig ist.
Die Mauerwerkswand, die zur Wärmespeicherung
(als die thermische Masse) benötigt
wird, ist in der Regel ein schlechter Wärmeisolator. Während langer
kalter Nächte
oder kalter, bewölkter
Tage erleiden solche Wände signifikante
Wärmeverluste.
Infolge dessen ist die Anwendung solcher Systeme in kalten Regionen
(zum Beispiel in Kanada) unpraktisch.
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Im
Stand der Technik hat es verschiedene Versuche gegeben, die Fähigkeit
zum Einfangen von Wärme
zu verbessern, die Energieverluste zu verringern und die Leistung
zu steigern. Eine solche Lösung
ist im
US-Patent Nr. 4,323,053 beschrieben,
wo ein Sonnenkollektor mit einer integralen Wärmefalle in einer transparenten
Wand versehen ist. Der Sonnenstrahlungsabsorber ist dafür konfiguriert,
einfallende Sonnenstrahlung einzufangen, welche die vordere Ummantelung
passiert.
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Bei
einer anderen, ähnlichen
Lösung,
die durch Energiesysteme Aschauer Ltd. in Linz, Österreich, entwickelt wurde,
ist eine Wärmefalle
in Form eines Zellulosekamms zwischen der Verglasung und einer wärme speichernden
Wand angeordnet. Diese Lösung
kombiniert die Wärmeisolations
fähigkeit
mit direkter Wärmespeicherung
in der Wand. Allerdings fehlt dieser Art von Wand immer noch genügend Wärmeisolation
für kalte Klimaregionen.
Dicke Blöcke
aus Zelluloseschichten gestatten eine effiziente Wärmeübertragung
in eine Wärme
akkumulierende Wand hinein, die selbst einen begrenzten Wärmeisolationswert
hat.
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US-Patent Nr. 4,237,865 (Lorentz)
beschreibt ein Sonnenheizungsaußenwandpaneel,
das zwei in horizontaler Richtung beabstandete Paneele aus Klarglas
enthält,
die in einem Gehäuse
befestigt sind, das außen
von dem Gebäude
angeordnet ist. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein Wärmekollektor.
Der Kollektor – in
Form eines Luftspalts – ist
auf der Innenseite durch einen Wärmetauscher
aus im Wesentlichen dünnem
Folienmaterial verschlossen und ist an der Innenseite der Glaspaneele
von diesen beabstandet. Ein System aus temperaturgesteuerten angelenkten
Klappen unten und oben an den Kollektordurchgängen entlässt einen Luftstrom, um einen
Raum zu erwärmen.
Dieses System erfordert komplexe wärmegesteuerte Klappen und besitzt
keinerlei Wärmespeicherkapazität.
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WO 99/10934 hat ein kombiniertes
photovoltaisch-thermisches Paneel, das mit einem oder mehreren Strömungskanälen versehen
ist, um während
des Betriebes Wärmeenergie
an ein darin strömendes
Fluid abzugeben. Die PV- und Wärmekollektoren
sind zu einer einzelnen Baugruppe mit einem dazwischen angeordneten
metallhaltigen Kunststoffmaterial, das Klebeeigenschaften aufweist,
zusammengefasst worden.
US-Patent
Nr. 4,587,376 beschreibt einen anderen kombinierten photovoltaisch-thermischen
Sonnenkollektor, in dem ein lichtdurchlässiges Superstrat (PV) und
ein metallisches Substrat (thermisch) verwendet werden. Diese Lösungen erfordern
eine Struktur, die relativ komplex und kostspielig ist.
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Ein
kanadisches Unternehmen, Conserval Engineering, Inc., hat eine "SolarWall"-Technologie entwickelt,
bei der es sich um einen in einem Gebäude integrierten Kollektor
in Form eines Fassaden- oder Dachelements handelt. Die Sonnenenergie
wird unter Verwendung perforierter Absorberplatten eingefangen,
die so montiert sind, dass kalte Außenluft gleichmäßig hinter
den perforierten Paneelen entlang strömen kann. Aus der Sonnenenergie
erzeugte Wärme
wird an die Luft abgegeben, die zum Erwärmen von Ventilationsluft verwendet
wird. Diese Lösung
ist nicht in der Lage, Wärme
zur Verwendung am Abend oder während
der Nacht zu speichern.
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Ein
unverglaster poröser
Sonnenkollektor wird unter dem eingetragenen Markennamen "SolarWall" verkauft. Er absorbiert
die Sonnenenergie und nutzt sie zum Erwärmen der Luft, die durch die
Kollektoroberfläche
und in den Luft verteilungsweg gezogen wird, der an das mechanische
System des Gebäudes
angeschlossen ist. Bei "SolarWall" bewegt sich die
Luft durch Kanäle
zwischen einer Wand eines Gebäudes
und einer Sonnenstrahlung absorbierenden Schicht. Aufgrund des Fehlens
einer Verglasung, der sehr geringen Wärmeaufnahmefähigkeit
von Luft und der geringen Wärmeleitfähigkeit
sind solche Lösungen
jedoch nicht sonderlich effizient und werden in der Regel zum Erwärmen von
Luft verwendet.
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CH-A-632 32 offenbart
einen Solarradiator, der insbesondere zum Beheizen von Räumen gedacht
ist. Ein Außengehäuse aus
Blech, Kunststoff oder Holz dient dem Aufnehmen einer Isoliermasse.
Ein ähnliches Innengehäuse dient
als Innenbegrenzung. Im Inneren des Innengehäuses ist eine Latentwärmespeichermasse
angeordnet. Vor der Wärmespeichermasse,
der Sonne zugewandt, befindet sich eine Kollektorplatte, die selektiv
schwarz behandelt ist und darum ein Maximum der einfallenden Sonnenenergie
absorbieren und sie an die Wärmespeichermasse
abgeben kann. Die Kollektorplatte ist durch ein Laminatglasfenster
mit einem Außenfenster
und einem Innenfenster geschützt,
wodurch eine Luftschicht zwischen diesem Laminatglasfenster und
der Kollektorplatte entsteht. Wärmeleitende
Folien ragen in die Wärmespeichermasse
hinein. Das Laminatfenster ist in einem Schwenkstreifen montiert,
um es nach vorn neigen zu können.
Dadurch kann die Luft über
die Kollektorplatte strömen.
Die aufsteigende Luft wird in diesem Fall durch freie Konvektion
an der Wärme
erwärmt,
die direkt durch die Wärmespeichermasse
zugeführt
wird, oder durch die Wärme,
die durch die wärmeleitenden
Folien zu der Kollektorplatte geleitet wird. Der vorkennzeichnende
Absatz der angehängten Ansprüche basiert
auf diesem Dokument.
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Im
Allgemeinen erfordern die Lösungen
des Standes der Technik entweder komplexe Fluidzirkulationssysteme,
die in Kombination mit gut isolierenden Wänden angewendet werden, oder
einfachere passive Lösungen
mit direkter Wandwärmespeicherung
(im Mauerwerk), die begrenzte Isolationswerte haben und bei Kälte viel
Wärme verlieren,
wodurch sich ihr Anwendungsspektrum verkleinert.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Benötigt wird
ein wandintegrierbarer thermischer Sonnenkollektor mit Wärmespeicherkapazität.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den angehängten Ansprüchen bereitgestellt.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen und
der folgenden Beschreibung hervor.
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Die
Grundstruktur kann in Bauplatten integriert werden, die für die extremen
Winterbedingungen, die man in kalten Klimaregionen antrifft, wärmeisoliert
sind. Wie weiter unten noch näher
beschrieben wird, lassen sich durch Integrieren einiger zusätzlicher
Merkmale noch vorteilhaftere Ergebnisse realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
näher hervor,
in der auf die angehängten
Zeichnungen Bezug genommen wird. Die Zeichnungen dienen lediglich
der Veranschaulichung und sollen in keiner Weise den Geltungsbereich
der Erfindung auf die gezeigte Ausführungsform bzw. die gezeigten
Ausführungsformen
beschränken.
In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors.
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2 ist
eine Vorderansicht des wandintegrierbaren thermischen Sonnenkollektors,
der in 1 veranschaulicht ist.
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3 ist
eine detaillierte im Schnitt dargestellte Seitenansicht des wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors, der in 1 veranschaulicht
ist.
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4 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Ausführungsform
eines wandintegrierbaren thermischen Sonnenkollektors, der gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, mit einer pneumatisch
gesteuerten Absorbermembran in einem aktiven Wintermodus.
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5 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht des wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors, der in 4 veranschaulicht
ist, mit einer pneumatisch gesteuerten Absorbermembran in einem
passiven Wintermodus.
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6 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht des wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors, der in 4 veranschaulicht
ist, mit einer pneumatisch gesteuerten Absorbermembran in einem
aktiven Sommermodus.
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7 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht des wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors, der in 4 veranschaulicht
ist, mit einer pneumatisch gesteuerten Absorbermembran in einem
passiven Sommermodus.
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8 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors.
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9 ist
eine im Schnitt dargestellte Vorderansicht des wandintegrierbaren
thermischen Sonnenkollektors, der in 8 veranschaulicht
ist.
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10,
die als "Stand der
Technik" bezeichnet
ist, ist eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Hauses
mit einem Trombewandsystem.
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11,
die als "Stand der
Technik" bezeichnet
ist, ist eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Hauses
mit einem wandintegrierbaren thermischen Sonnenkollektor, der mit
zirkulierenden Fluiden arbeitet.
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12 ist
eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Hauses mit einem
wandintegrierten thermischen Sonnenkollektor gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
bevorzugte Ausführungsform
eines wandintegrierten thermischen Sonnenkollektors mit Wärmespeicherung
wird anhand der 4 bis 7 beschrieben.
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Bezugnehmend
auf die 1 bis 3 wird eine
schematische Schnittansicht eines thermischen Solarwandpaneels mit
Wärmespeicherung
gezeigt. Ein Paneel, das zum Einfangen von Sonnenstrahlung und zum
Erzeugen einer Wärmespeicherung
konfiguriert ist, enthält
verschiedene thermische Schichten und besteht aus einer transparenten
Außenummantelung 10,
die dafür
ausgebildet ist, dass die Sonnenstrahlung sie durchquert, einer
Sonnenabsorberplatte 20 zum Einfangen von Sonnenenergie,
die von der transparenten Außenummantelung
durch einen Luftspalt getrennt ist, eine Wärmespeicherschicht 30 mit
Kapseln aus Phasenwechselmaterial und einer Wand 40, die
das Haus wärmeisoliert
und das Haus strukturell stützt.
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Die
Außenummantelung
ist für
Sonnenlicht durchlässig
und ist vorzugsweise als eine doppelte Glas- oder Kunststoffabdeckung
ausgeführt,
um Wärmeverluste
zu verringern. Die transparente Abdeckung besteht aus Material mit
geringem Sonnenabsorptionskoeffizienten und verringerter Reflexion.
Sie kann wie ein doppeltes, argongefülltes, eisenarmes Glasfenster
hergestellt werden.
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Die
nächste
Schicht, bei der es sich um die Absorberplatte 20 handelt,
ist eine dünne
Metallmembran, die mit einer Beschichtung 21 überzogen
ist, die Sonnenstrahlung gut absorbiert. Es wird angenommen, dass die
Rückseite
der Membran mit einer Schicht 22 überzogen ist, die für Infrarotstrahlung
hoch-reflektierend ist. Die Absorberplatte ist in einer Entfernung
von etwa 50 mm von der transparenten Abdeckung angeordnet. Die Rückseite
der Absorberplatte steht in engem Kontakt mit einer Materialbahn
aus Kapseln 30, die ein Phasenwechselmaterial enthalten,
um die Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung
von der Wärme
erzeugenden Absorberplatte zu dem Wärmespeichermaterial in den
Kapseln zu unterstützen.
Die Materialbahn aus Kapseln 30, die eine große thermische
Masse darstellt, ist an der Wand des Hauses oder Gebäudes 40 montiert.
Während
der Sonneneinstrahlung schmilzt das Phasenwechselmaterial unter
dem Einfluss der Wärme.
Während der
Nacht kristallisiert das Phasenwechselmaterial und gibt Wärme ab und
hält die
Temperatur in der Pufferzone weiter stabil, bis alle akkumulierte
Wärme aufgebraucht
ist, wodurch die Wärmeverluste
des Hauses signifikant verringert werden. Solange die Temperaturen auf
beiden Seiten der isolierenden Bauplatte der Wand ähnlich sind,
wird keine Wärme
durch die Wand hindurch übertragen.
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Wärmespeichermaterial
mit einer Pufferzone ist zwischen dem Wärmeabsorber 20 auf
einer Seite und der isolierenden Bauplatte 40 der Wand
auf der anderen Seite angeordnet. Die Temperaturpufferzone 31 wird durch
den Mehrkanalraum aus Luft zwischen Kapseln und Hauswand gebildet.
Die Temperatur in der Pufferzone liegt nahe der Temperatur des Phasenwechsels.
Die Gebäudewand 40,
die in diesem Fall nicht zur Wärmespeicherung
genutzt wird (wie es bei einer Trombewand der Fall ist), besteht
aus Materialien, die hoch-isolierend sind (zum Beispiel aus Schaumstoffen).
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Auf
dem Markt sind viele verschiedene Phasenwechselmaterialien mit Phasenwechseltemperaturen erhältlich,
die für
ein ganzes Spektrum von Temperaturen anwendbar sind. Die ganz besonders
bevorzugten sind Materialien, die ihre Phase in Temperaturen zwischen
0 und 50°C
und bevorzugt im Bereich von 15 bis 30°C ändern. Ein gutes Beispiel eines
solchen Materials ist Calciumchloridhexahydrat mit einer Phasenwechseltemperatur
von etwa 29°C
(Cp etwa 200 kJ/kg K (Phasenwechsel) im Vergleich zu Ziegel 0,84
kJ/kg K).
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Das
Wandsystem, das mit einer Pufferzone ausgestattet ist, halt die
Innentemperatur des Gebäudes sehr
stabil. Die beschriebene Lösung
hat den Vorteil einer effizienteren Sonnenenergiegewinnung und -nutzung
während
des Winters und verhindert ein Überhitzen
im Sommer.
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Die
Wärmeübertragung
durch das Wandpaneel (das die Haus- oder Gebäudewand bildet) hindurch hängt hauptsächlich von
dem Temperaturunterschied zwischen beiden Seiten des Wandpaneels
ab. Durch Implementieren der Wärmespeicher-Pufferzone unterscheidet
sich die Temperatur auf der Außenseite
der Hauswand nur geringfügig
von der Temperatur im Inneren des Hauses (~22°C), und solange genügend gespeicherte
Wärme zugeführt wird,
wird die Wärmeübertragung
durch die Wand des Hauses hindurch vollständig blockiert. Infolge dessen
verhindert eine Wärmesperre,
die durch Wärme
von dem Wärmespeichersystem
unterstützt
wird, Wärmeverluste
für viele
Stunden nach Sonnenuntergang. Häuser
mit Solarwandmodulen haben einen deutlich geringeren Energiebedarf
im Vergleich zu herkömmlichen
Heizsystemen.
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4 und 5 zeigen
eine Schnittansicht eines Wärmepaneels,
das gemäß der Erfindung
eine Wärmefalle
für gespeicherte
Wärme bereitstellt.
Das Paneel ist mit einer pneumatisch gesteuerten Absorbermembran 20 versehen,
die entlang des Umfangs mit einer Dehnungsdichtung 80 versiegelt
ist. Während
des Solarbetriebes steht die Absorbermembran 20 infolge
eines geringfügigen
Unterdrucks in der Pneumatikleitung 90 in engem Kontakt
mit den Wärmespeicherkapseln
(4), was die Wärmeübertragung
von der Sonnenstrahlungsabsorptionsplatte- oder -membran zu der
Matrix aus Kapseln erleichtert. Während Perioden, in denen die
Strahlungsintensität
nicht ausreicht, oder während
der Nacht wird der Druck in der Pneumatikleitung 90 erhöht, und
die Absorbermembran wird von den Wärmespeicherkapseln weggenommen
(siehe 5), wodurch ein zusätzlicher Luftspalt (eine Wärmefalle) 91 zwischen
dem Absorber und den Wärmespeicherkapseln gebildet
wird. Infolge dessen reicht die in dem Phasenwechselmaterial gespeicherte
Wärme länger, was
zu einer stabilen Puffertemperatur über einen längeren Zeitraum führt.
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6 und 7 zeigen
eine Anwendung des erfindungsgemäßen Wärmepaneels,
um zu verhindern, dass das Gebäude im
Sommer überhitzt.
Wie in 6 dargestellt, wird während des Tages die Absorbermembran 20 von
der Schicht aus Wärme
speichernden Kapseln 30 durch den Luftspalt 91 getrennt,
um den Wärmestrom
in das Gebäude
hinein zu verringern. Der trotzdem noch übertragene (aber verringerte)
Wärmestrom, der
den Spalt durchdringt, wird in einem Wärmespeichersystem (Wärmesenke)
gespeichert, wodurch verhindert wird, dass die Hauswand zu warm
wird. Wie in 7 dargestellt, sind während der
Nacht Lüftungsschlitze 60 offen,
und ein durch Konvektion induzierter Luftstrom trägt die gespeicherte
Wärme an
die Atmosphäre
aus. Der Effekt des Überhitzens
macht sich möglicherweise
erst bemerkbar, wenn die Speicherkapazität des Wärmespeichersystems ausgeschöpft ist.
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8 und 9 stellen
eine Option dar, bei der photovoltaische Zellen 20A anstelle
der Absorberplatte 20 verwendet werden. Der Vorteil einer
solchen Lösung
ist, dass die Betriebstemperatur des PV-Moduls verringert und stabilisiert
werden kann (auf etwa 30-35°C),
wodurch die Effizienz des PV-Moduls gesteigert wird, die bekanntlich
mit zunehmender Betriebstemperatur sinkt. Unter typischen Bedingungen
kann die Betriebstemperatur des PV-Moduls bis auf 50-60°C steigen. Die Effizienz des
aus Silizium bestehenden PV-Moduls nimmt bei jedem 10°C Temperaturanstieg
um etwa 4 % ab. Ein weiterer Vorteil einer solchen Lösung ist
eine Senkung der Kosten des Absorbers durch die Schaffung des weiterentwickelten
hybriden PV/Wärme-Typs
eines Sonnenkollektors mit Wärmespeicherung.
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Wenn
der Sonnenkollektor während
des Tages der Sonne ausgesetzt wird, so wird die aufgefangene Wärme zum
Schmelzen des Phasenwechselmaterials verwendet, wodurch Wärme gespeichert
wird (wodurch im Sommer ein übermäßiges Erwärmen des
Hauses verhindert wird). Infolge dessen wird ein Wärmebedarf zum
Beheizen von Räumen
in einem Haus oder Gebäude
signifikant gesenkt, weil die Zeit, während der Wärmeverluste durch die Wand
hindurch möglich
sind, deutlich verkürzt
wird. Die Implementierung der stabilen Temperaturpufferzone verringert
auch signifikant den Einfluss von Schwankungen der Außentemperatur.
Infolge dessen stabilisiert sich die Hausinnentemperatur. Das Ergebnis
ist, dass ein Haus oder Gebäude,
bei dem die "advanced
skin technology" (weiterentwickelte
Außenhauttechnologie)
verwendet wird, während
des Tages kaum überhitzt
und nach dem Sonnenuntergang viele Stunden lang warm bleibt, bis
die gespeicherte Wärme aufgebraucht
ist. Die Kapselanordnung erzeugt ein Netz aus Kanälen, die
als Luftkanäle
für den
Zweck eines Belüftungssystems
oder zur Wärmeabfuhr
während
der Sommernächte
verwendet werden können.
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Bezugnehmend
auf die 10 bis 12 ist
ein Vergleich verschiedener Heizmodelle gezeigt. 10 zeigt
die Funktionsweise des Trombewandsystems. 11 zeigt
die Funktionsweise eines auf Sonnenwärme basierenden Raumheizsystems
mit einem zirkulierenden Fluid und einem internen Warmwasserspeichertank
zur Wärmespeicherung. 12 zeigt
einen wandintegrierten thermischen Sonnenkollektor mit Wärmespeicherkapazität gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung.
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Das
Solarheizpaneel gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt ein neuartiges "Temperaturpufferzonen"-Konzept eines Sonnenwärmekollektors
bereit. Der Sonnenkollektor ist in der Gebäude- oder Hauswand integriert,
besitzt die Fähigkeit,
große
Mengen Wärme
zu speichern (durch Implementierung einer großen thermischen Masse) und
besitzt eine hocheffiziente Wärmeisolation.
Genauer gesagt, bildet das Sonnenwärmepaneel, wenn es in einer
Gebäudewand
integriert ist, eine warme Pufferzone außerhalb einer hocheffizienten Wärmeisolationswand,
und infolge dessen ist die Lösung
bestens zur Anwendung in Gebäuden
geeignet, die sich in kalten Klimaregionen befinden.
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Die
angebotene Lösung
ist einfach. Ihre Implementierung ist auf die Außenhülle des Hauses beschränkt (zum
Nachrüsten
geeignet), sie ist kosteneffektiv und überwindet die aufgezählten Probleme
von entweder flachen Paneelen oder passiven Wandsystemen. Der vorgeschlagene
Sonnenwärmekollektor
lässt sich einfach
installieren, ist widerstandsfähig
und sehr wirtschaftlich herzustellen.
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Die
Wärme speichernde
Schicht gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet ein Phasenwechselmaterial, das sich in direktem
Kontakt mit der Platte befindet, die Sonnenstrahlung absorbiert,
und das Wärme direkt
in der darunter befindlichen Absorptionsschicht akkumuliert. Die
Wärmeakkumulation
vollzieht sich in einem Phasenwechselmaterial, das seine Phase vorzugsweise
bei der Temperatur von etwa 10 bis 30°C ändert.
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Im
Winter verlängert
die Pufferzone mit Wärmeakkumulationskapazität den Zeitraum, über den
die Pufferzone warm bleibt, weit über die Zeit der Sonneneinstrahlung
hinaus (nach dem Sonnenuntergang), wodurch Wärmeverluste von dem Gebäude signifikant
verringert werden.
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Die
warme Pufferzone mit großer
Wärmeakkumulationskapazität blockiert
ein Entweichen der Wärme durch
die Gebäudewand
nicht nur während
der Sonneneinstrahlung, sondern auch für lange Zeit nach dem Sonnenuntergang.
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Der
wandintegrierbare Wärmekollektor
kann mit einer Vorrichtung ausgerüstet werden, welche die Wärmeübertragung
und -gewinnung während
der Sonnenbestrahlung des Kollektors maximiert und die Wärmeverluste
verringert, wenn das System inaktiv ist, nämlich während Perioden, wo keine ausreichende
Strahlungsintensität
zur Verfügung
steht (bei stark bewölktem
Himmel oder während
der Nacht).
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Durch
Bilden der langanhaltenden warmen Pufferzone außerhalb des Gebäudemantels
(wobei die Temperatur in der Pufferzone ähnlich der Temperatur im Inneren
des Gebäudes
ist) werden Wärmeverluste durch
die Hauswand hindurch und der Bedarf an Gebäuderaumheizung signifikant
verringert.
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Die
beschriebene Lösung
ist für
das Heizen eines Hauses im Winter und für das Kühlen eines Hauses im Sommer
brauchbar. An heißen
Sommertagen verhindert die Wärmeakkumulation
der Pufferzone ein Überhitzen
des Gebäudes
während
des Tages. Die akkumulierte Wärme
wird während
der Nacht an die Atmosphäre
abgegeben, indem die Pufferzone intensiv über Lüftungsschlitze belüftet wird.
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Der
erfindungsgemäße Wärmekollektor
hat auch eine Option, bei der die Wärmekollektorplatte durch die
photovoltaische Zelle ersetzt werden kann. In einem solchen Fall
besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass die Wärmesenke
in der Pufferzone (in dem Phasenwechselmaterial) die Temperatur
der PV-Zelle niedrig hält.
Sie verhindert, dass die photovoltaischen Zellen überhitzen,
und steigert somit die Effizienz der PV-Zelle. Es ist allgemein
bekannt, dass die Effizienz der aus Silizium bestehenden PV-Zelle
bei steigender Temperatur mit einer Rate von etwa 4 % bei jedem
10°C Temperaturanstieg
abnimmt.
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Die
Funktionen des integrierbaren Solarpaneels gemäß der Erfindung sind:
- – effiziente
Sonnenenergiegewinnung,
- – Wärmespeicherung
und Temperaturstabilisierung, und
- – hoch-effiziente
Wärmeisolation.
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Der
grundlegende erfinderische Gedanke besteht im Einfangen, Speichern
und Verwalten der aufgefangenen Wärme innerhalb des Gebäudemantels,
wodurch Rohre, Löcher
in der Wand und Wärmemanagementkomponenten
vermieden werden. Ein solches System ist sehr einfach, billig und
einfach herzustellen und zu installieren. Bei herkömmlichen
aktiven Sonnenwärmeheizsystemen
wird die Wärme
in Sonnenwärmekollektoren
eingefangen und mit der zirkulierenden Flüssigkeit zum Speichertank übertragen,
um während
der Nacht genutzt zu werden. Als Beispiel zeigt die folgende Tabelle
1 Gebäudewandheizdaten
für die
kürzesten Tage
des Jahres, gemessen am 22. Dezember und 23. Dezember 2003. Die
untere Achse zeigt die Zeitskala an, während die vertikale Achse Temperatur-
und Einstrahlungsdaten angibt. Tabelle
1:
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Das
erfindungsgemäße System,
das die gleichen Funktionen erfüllt,
benötigt
aber keine Rohrleitungen, Wärmespeichertanks,
Wärmeumverteilungssystem
oder Zirkulationspumpe.
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Aus
der obigen Beschreibung ist zu erkennen, wie diese Erfindung auf
Häuser
und Gebäude
Anwendung findet, die Sonnenstrahlung zur Raumbeheizung nutzen.
Es ist außerdem
zu erkennen, dass das System eine Reihe von Nachteilen überwindet,
mit denen andere Solarraumheizsysteme behaftet sind. Es wird deutlich,
dass die Erfindung durch sehr effiziente Sonnenenergieausnutzung,
Einfachheit, niedrige Kosten, Nachrüsttauglichkeit und architektonische
Flexibilität
gekennzeichnet ist. Es ist des Weiteren zu erkennen, dass die Erfindung
besonders in kalten Regionen von Nutzen ist. Das System arbeitet
mit Sonnenenergie als eine zusätzliche
Wärmequelle
und bietet eine verbesserte Wärmeisolation.
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Es
versteht sich, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sowohl
auf Flachpaneel-Sonnenwärme-
als auch auf Photovoltaikmodule mit Wärmegewinnung anwendbar sind,
auch wenn das Wärmespeichermaterial
und die Temperaturpufferzone je nach Solarmodultyp ein wenig andere
Funktionen haben.
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Das
erfindungsgemäße solarbeheizte
Isolationswandpaneel besteht aus einem Wandpaneel und einem Sonnenwärmekollektor
in Kombination und beinhaltet:
- I. eine Außenabdeckung,
die aus einem Material besteht, das für Sonnenstrahlung transparent
ist;
- II. einen Kollektor, der die Sonnenstrahlung absorbiert und
durch einen Luftspalt von der transparenten Außenabdeckung getrennt ist;
- III. eine Wärmespeicherschicht,
die ein Phasenwechselmaterial enthält;
- IV. eine Wandbauplatte, die ein Hausstrukturelement und die
Hauptwärmeisolation
für das
Haus ist.
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In
dieser Patentschrift ist das Wort "beinhalten" in seinem nicht-einschränkenden
Sinne gebraucht und bedeutet, dass Dinge, die auf das Wort folgen,
enthalten sind, aber Dinge, die nicht ausdrücklich genannt sind, nicht
ausgeschlossen sind. Ein Verweis auf ein Element durch den unbestimmten
Artikel "ein" schließt nicht die
Möglichkeit
aus, dass eine Mehrzahl dieses Elements vorhanden ist, sofern der
Kontext nicht klar fordert, dass nur ein einziges der Elemente vorhanden
ist.
-
Es
ist für
den Fachmann offenkundig, dass Modifikationen an der veranschaulichten
Ausführungsform vorgenommen
werden können,
ohne dass der Geltungsbereich der Erfindung, der anschließend durch
die Ansprüche
definiert wird, verlassen wird.
